Журнал "Новости Электроники", номер 3, 2005 годБЕСКОНТАКТНЫЕ ДАТЧИКИ ПОЛОЖЕНИЯ НА ЭФФЕКТЕ ХОЛЛА И МАГНИТОРЕЗИСТИВНОМ ЭФФЕКТЕ КОМПАНИИ HONEYWELL
Статья посвящена датчикам положения на эффекте Холла и магниторезистивном эффекте подразделения Sensors and Controls компании Honeywell. Рассмотрены различные семейства датчиков этой категории, приведены сравнительные характеристики типовых представителей того или иного семейства.
Эффект Холла лежит в основе одной из самых прогрессивных технологий бесконтактной регистрации положения, перемещения, скорости вращения и присутствия ферромагнитных объектов. Эффект основан на свойстве полупроводниковой структуры генерировать разность потенциалов при воздействии внешнего магнитного поля (см. рис. 1). Номенклатура датчиков положения на эффекте Холла компании Honeywell насчитывает более двухсот видов. Датчики классифицируются по области применения на автомобильные, индустриальные и общего применения и, в зависимости от назначения, различаются по конструктивным, электрическим характеристикам и рабочему диапазону температур. Однако, несмотря на различия, все приборы имеют схожее функционально законченное ядро. Это элемент Холла и схема обработки сигнала.
Условно все приборы можно разделить на две большие группы: датчики с линейным выходом и датчики с логическим выходом. Датчики с линейным выходом обычно применяются для определения небольших перемещений, построения более сложных датчиков и работы в составе датчиков тока с гальванической развязкой.
Линейные датчики магнитного поля на эффекте Холла состоят из полупроводникового элемента Холла, Стабилизатора питания, дифференциального усилителя и выходного каскада (см. рис. 2). В зависимости от модели датчика, выходной каскад представляет собой усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме с открытым коллектором (PNP) или по двухтактной схеме (PNP+NPN). Выходное напряжение этих датчиков находится в линейной зависимости от величины магнитного поля (см. рис. 3), которое в рабочей области может быть как положительным (южный полюс магнита), так и отрицательным (северный полюс магнита). За пределами рабочей области датчик входит в насыщение. В отсутствии внешнего магнитного поля напряжение на выходе равно половине напряжения питания. Размах выходного напряжения и чувствительность датчиков находятся также в линейной зависимости от напряжения источника питания (пропорциональный выход), которое лежит в диапазоне 4,5...16 В. Датчики характеризуются высокой нагрузочной способностью, линейной характеристикой преобразования в рабочем диапазоне магнитных полей, широким диапазоном рабочих температур и питающих напряжений, долговременной стабильностью параметров и малым током потребления. Некоторые модели имеют схему защиты от пе- реполюсовки питания.
Рис.1 |
Рис.2 |
Рассмотрим более подробно группу линейных датчиков на примере конкретных моделей.
SS495A — один из шести представителей популярной серии SS490, члены которой различаются по температурной стабильности и рабочему диапазону магнитных полей. Этот датчик выполнен в миниатюрном корпусе TO-92 c тремя выводами (см. рис. 4а). Внутренняя организации соответствует рисунку 2б. Высокая температурная стабильность прибора (температурный дрейф смещения составляет ±0,07%/°С в диапазоне рабочих температур -40...+150°С, что соответствует ±0,075 В при исм = = 2,5 В) обеспечивается встроенной схемой температурной компенсации, элементы которой проходят лазерную подгонку в процессе производства. Датчик имеет нелинейность характеристики около 1% в диапазоне магнитных полей ±670 Гаусс, сохраняет работоспособность в диапазоне питающих напряжений 4,5.10 В и имеет максимальный выходной ток 1,5 мА. В этой же серии присутствуют приборы с более и менее высокой температурной стабильностью по сравнению с SS495A. Это SS495A1 (±0,04%/°С) и SS495A2 (±0,07%/°С) соответственно. Если говорить о чувствительности, то здесь наилучшими являются сенсоры SS494x (±400 Гаусс). Наиболее «грубыми» считаются SS496x (±840 Гаусс).
Рис.3 |
Рис.4 |
Только конструктивное исполнение (керамический корпус со стандартным шагом выводов 2,54 мм) и более широкая градация диапазонов рабочих магнитных полей (±100...±2500 Гаусс) отличают семейство SS94 (см. рис. 4в) от ранее рассмотренного SS490. Рассмотренные выше семейства имеют в выходном каскаде комплементарную пару транзисторов.
SS49 — более дешевая модель в корпусе TO-92. Главное отличие от ранее рассмотренных — отсутствие температурной компенсации смещения и иной способ построения выходного каскада — PNP-транзистор с открытым коллектором. Однако прибор имеет нагрузочную способность на порядок выше (до 20 мА).
Два новых прибора: SS49E и SS59E — результат доработки датчика SS49 путем улучшения температурной стабильности. Датчики выполнены в корпусах TO-92 и SOT89 (см. рис. 3б) соответственно, имеют повышенную нагрузочную способность и дополнены схемой температурной компенсации.
На рисунке 5 приведены несколько примеров применения линейных датчиков на эффекте Холла.
Датчики с логическим выходом обычно применяются для определения наличия какого- либо ферромагнитного объекта в поле «обзора датчика». В отличие от линейных датчиков магнитного поля выход этих приборов, в зависимости от величины приложенного магнитного поля, принимает всего два состояния: высокий и низкий уровень. Выходной сигнал конвертируется из линейного с помощью триггера Шмидта (см. рис. 6). Благодаря гистерезисной характеристике триггера повышается помехоустойчивость датчика, устраняются ложные срабатывания. В выходной характеристике датчика принципиально важны лишь две точки: точка включения (operate point, величина действующего магнитного поля, при котором выход переходит во включенное состояние) и точка выключения (наоборот). Для повышения нагрузочной способности по выходу в схему датчика добавляется каскад усиления на биполярном прп-транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. Большинство датчиков имеют встроенный Стабилизатор питания для элемента Холла, поэтому приборы не критичны к стабильности источника питания и уверенно работают в широком диапазоне питающих напряжений 3,8...30 В. Универсальный выход с открытым коллектором обеспечивает датчику высокую гибкость на эта пе согласования с нагрузкой. Нагрузкой датчиков могут являться входы логических ИМС и микроконтроллеров, а также различные драйверы силовых коммутационных приборов.
Характеристики преобразования цифровых датчиков магнитного поля определяются точкой включения, точкой выключения и дифференциалом. Поскольку характеристики подвержены влиянию окружающей температуры, в технических данных оговариваются минимальные и максимальные значения магнитного поля для этих точек. Так, максимальная точка включения соответствует величине магнитного поля, которое уверенно переводит выход прибора во включенное состояние при любых дестабилизирующих факторах. Минимальная точка выключения соответствует величине магнитного поля, при котором происходит уверенное выключение прибора. На рисунке 7 приведена характеристика преобразования для типового униполярного датчика. Датчик считается униполярным, если обе точки (включения и выключения) соответствуют положительному диапазону значений магнитных полей рабочей характеристики, т.е. южному полюсу магнитного поля. Биполярным считается датчик, у которого максимальная точка включения соответствует положительному диапазону рабочих магнитных полей, т.е. южному полюсу, а минимальная точка выключения — северному полюсу. На рисунке 8 приведены несколько характеристик биполярных датчиков.
Рис.5
| Рис.6 | Рис.7 | Рис.8 |
Компания Honeywell производит около 10 семейств датчиков магнитного поля с логическим выходом. Рассмотрим наиболее интересные из них.
Семейства SS4xx (корпус TO-92, см. рис. 9а) и SS5xx (корпус SOT89, см. рис. 9б), благодаря функциональной законченности, стандартному конструктивному исполнению, широкому диапазону рабочих температур (-40...150°С) и напряжения питания (3,8.30 В), можно по праву принять за стандарт среди множества приборов данной категории. Эти датчики получили наибольшее распространение при решении задач детектирования ферромагнитных объектов и как самостоятельные сенсоры, и как базовые компоненты для построения более сложных датчиков. Внутри семейства датчики различаются диапазонами рабочих полей, полярностью и различными типами формовки выводов (последнее — для серии SS4xx). К примеру, самым чувствительным датчиком среди биполярных является SS411A. Величина полей включения/выключения для него составляет ±20 Гаусс соответственно. Самый «грубый» SS566A - ± 140 Гаусс. Встроенная схема температурной компенсации обеспечивает повышенную стабильность характеристики во всем диапазоне температур.
Самым широким диапазоном рабочих температур (-55...150°С) характеризуются биполярные сенсоры SS41 (±40 Гаусс) и SS46 ±Гаусс). От ранее рассмотренных семейств их отличает отсутствие схемы температурной компенсации. Однако приборы имеют защиту от изменения полярности по питанию.
Семейство 6SS представлено униполярными датчиками с различной чувствительностью в стандартном корпусе DIP4 (см. рис. 9в). Аналогичное по параметрам семейство 5SS (см. рис. 9г) имеет прямоугольный корпус с резьбовой втулкой и плоскими выводами для быстрого соединения.
Новые серии SR13/SR15 интересны с точки зрения удобства монтажа на различные поверхности без применения вспомогательных элементов крепления благодаря наличию специальной фиксирующей клипсы (см. рис. 9д). Линейка этих датчиков включает как биполярные, так и униполярные модели с различной чувствительностью. Датчики термокомпенсирован- ные, отличаются повышенной нагрузочной способность (до 50мА), высокой устойчивостью к ударным воздействиям, широким диапазоном рабочих температур (-40...150°С) и напряжений питания (3,8.30 В). Датчики имеют сигнальные выводы в виде гибких проводов стандартной длины (25,4 см или 15,2 см).
Упрочненный герметичный цилиндрический корпус в виде металлической шпильки длиной 25,4 см с резьбой и двумя фиксирующими гайками (см. рис. 9е) делает датчики семейства 103SR1x пригодными для работы в жестких условиях, значительно упрощает их инсталляцию, а также дает возможность проводить оперативную подстройку дистанции от чувствительной поверхности датчика до цели. Среди моделей этого семейства есть как биполярные, так и униполярные приборы с различной чувствительностью. Диапазон рабочих температур составляет -40...100°С, напряжение питания — 4,5.24 В. Датчики снабжены гибкими выводами длиной 13,9 см (возможно до 1 м) с тефлоновой изоляцией, и по требованию заказчика могут быть дополнительно защищены снаружи полихлорвиниловой или термостойкой полиуретановой изолирующей трубкой.
Аналогичный герметичный корпус, но из пластмассы, и схожие электрические характеристики имеют датчики семейства SR3x (см. рис. 9ж). Основным их отличием является более низкий диапазон рабочих температур (-20.85°С). Это семейство также включает сверхвысокочувствительный омниполяр- ный (неполярный) датчик SR4P2-A1 (15/11 Гаусс), выполненный по магниторезис- тивной технологии.
Рис.9
Высокочувствительные омниполярные сенсоры, предназначенные для детектирования целей на большом расстоянии, выполненные по магниторезистивной технологии, существуют и в классическом исполнении. Например, новая модель SS552MT (25/5 Гаусс), разработанная для широкой области применения, обладает отличными частотными свойствами (0.100кГц), имеет миниатюрный корпус SOT-89 (рис 9б), широкий диапазон рабочих температур (-40...+150°С) и напряжений питания (3,8...30В).
И еще об одной интересной модели. Это датчик SS526DT (см. рис. 10), объединяющие в одном корпусе SOT-89 два независимых сенсора Холла, центры которых удалены друг от друга строго на 1,4 мм. Уникальность прибора заключается в том, что они позволяют одновременно контролировать и скорость и направление вращения. Оценка скорости вращения производится путем измерения частоты (длительности при малых оборотах) импульсов на соответствующем выходе. Выход «направление» в зависимости от направления вращения зубчатого колеса принимает либо высокий либо низкий уровень (рисунок).
Рис.10
На рисунке 11 приведены несколько примеров использования датчиков магнитного поля с логическим выходом.
Для построения сенсорных систем определения положения, расстояния, угла поворота, вибрации, перемещения на базе вышерассмотренных датчиков — как линейных, так и с логическим выходом — необходим источник внешнего магнитного поля. Как правило, для этого используются постоянные магниты, которые закрепляются на контролируемые объекты. Компания Honeywell с целью логического завершения линейки сенсоров рассмотренного типа выпускает 9 типов постоянных магнитов в различном конструктивном исполнении (см. рис. 12). Точные габариты, диапазон рабочих температур, зависимость величины магнитного поля от расстояния и рекомендации по применению подробно отражены в технической документации на изделия.
В отдельную группу следует отнести специализированные датчики положения, предназначенные для определения скорости вращения зубчатых колес. Это законченные устройства, объединяющие в одном корпусе элемент Холла, усилитель, триггер Шмидта, стабилизатор питания и постоянный магнит. Принцип действия основан на детектировании изменения плотности распределения или прерывания магнитного потока в момент, когда ферромагнитный материал (зубец шестерни или метка) проходит вдоль чувствительной поверхности датчика (см. рис. 13). Постоянство амплитуды выходного сигнала датчика, не зависящей от скорости вращения шестерни, позволяет фиксировать бесконечно малые перемещения и скорости. Логический выход с открытым коллектором на биполярном прп-транзисторе обеспечивает высокую нагрузочную способность приборов и гибкость при согласовании со входами ИМС стандартной логики и микроконтроллеров. Кроме этого, датчики характеризуются повышенной помехоустойчивостью, хорошим отношением сигнал/шум, наличием встроенных цепей защиты от переполюсовки и резких выбросов напряжения по линии питания.
Ознакомимся с датчиками данного класса более подробно на примере семейства GTNlAxxx (см. рис. 14а). Эти датчики специально разработаны для работы в жестких условиях эксплуатации. Они применяются для контроля скорости вращения коленчатого и распределительного валов автомобиля, работы в составе коробки передач и тахометров. Датчики удовлетворяют специальным требованиям на вибро- (DIN IEC 68 T2-6) и ударопрочность (DIN IEC 68 T2-7), а также на электромагнитную совместимость, имеют супергерметичный разъемный соединитель, соответствуют классам защиты от окружающей среды IP 67, IP 68, IP69K и функционируют в расширенном диапазоне температур -40...125°С. Датчики выпускаются в 12-ти вольтовой версии (ип = 8.16 В) и в 24-х вольтовой (ип = 21.32 В), имеют выход с открытым коллектором и диапазон частот детектирования от 2 Гц до 9 кГц. Семейство насчитывает 9 наименований, различающихся длиной цилиндрической зондирующей части (40.95 мм). В технической документации приведены минимальные размеры цели (зубца шестерни), при которых происходит уверенное детектирование.
Если датчики GTN1 Axxx главным образом ориентированы на применение в автомобильной технике, то 1GT101DC (см. рис. 14б) с аналогичными, но более унифицированными характеристиками, разработан для широкой области применений (включая и автомобильную технику). Датчик отличает более широкий диапазон рабочих температур (-40...150°С) и напряжений питания (4,5.24 В), а также улучшенная частотная характеристика (до 100 кГц - 10.3600 об/мин).
Несмотря на полную функциональную и конструктивную законченность вышерассмот- ренные датчики не обладают достаточной гибкостью на эта пе проектирования. Например требуется специальный корпус, иной вид крепежа, нестандартный электрический соединитель и т. д. В этом случае на помощь приходят так называемые «строительные блоки» (см. рис. 15). Эти приборы- заготовки по сути уже полнофункциональные приборы, содержащие в супергерметичном алюминиевом или пластмассовом цилиндрическом корпусе магнит, сенсор, усилитель, триггер и схему питания. К их главным преимуществам следует отнести невысокую стоимость и полную свободу в проектировании специализированного корпуса под конкретное приложение.
Рис.14
В случаях, когда размеры зубцов шестерни не позволяют обеспечить надежное детектирование, когда сама шестерня нестандартна, когда конструктивные особенности агрегата не позволяют разместить датчик или же просто требуется отслеживать только определенные положения оси, целесообразно применение датчиков положения прерывательного типа. Задача решается при помощи узкой вспомогательной шестерни (крыльчатки), закрепленной на той же оси, лопасти (метки) которой при прохождении через чувствительную апертуру датчика (щель, образованную между постоянным магнитом и сенсором Холла) прерывают магнитный поток, формируя тем самым входное воздействие (см. рис. 16).
2AV54 (см. рис. 14в) — один из наиболее ярких представителей датчиков прерывательного типа, широко применяемый в автомобильной и индустриальной электронике. Датчик выполнен в компактном упрочненном корпусе повышенной герметичности с гибкими проводными выводами. Глубокое щелевое отверстие (17 мм) обеспечивает большую гибкость при проектировании конфигурации крыльчатки. Полное соответствие датчика специальным требованиям на влагозащищенность (до 500 часов при 80% RH & 85°C), вибростойкость (45G по MIL-STD- 202) и воздействие солевого тумана (48 часов по IEC-68-2- 11) гарантирует безотказную работу в жестких условиях окружающей среды. Помимо этого датчик защищен от бросков напряжения по линии питания (до ±80 В) и случайной смены его полярности.
Семейство 4AV (см. рис. 14г) ориентировано исключительно на индустриальные применения. Датчики этого семейства имеют одинаковые размеры щелевого отверстия, внешние габариты и электрические характеристики, а различаются лишь по способу монтажа. Существуют модели с проводными выводами, длина которых выбирается из стандартного ряда, модели с разъемным соединителем, а также для монтажа через отверстия на печатную плату.
То же самое можно сказать и о семействах SR16/SR17 (см. рис. 14д), за исключением области применения. Это датчики для коммерческих приложений.
Задача измерения точного угла поворота оси привода в небольших пределах является одной из самых распространенных. Существует несколько способов ее решения с использованием различных технологий (оптических, маг- ниторезистивных и с использованием специальных потенциометров). Рассмотрим одну из популярных моделей высокоточного бесконтактного датчика угла поворота, использующего эффект Холла. Это датчик RPN1A112 (см. рис. 17), который представляет собой компактное законченное устройство в герметичном корпусе (IP67) со стандартным разъемным соединителем AMP и крепежными отверстиями. Чувствительным элементом датчика является ось вращения диаметром 6 мм, выступающая из корпуса на 10 мм. На внутренней стороне оси закреплены два постоянных магнита, поле которых воздействует на специализированную интегральную матрицу элементов Холла. Ее функция — преобразование угла поворота оси в постоянное напряжение. Дополнительные встроенные схемы обеспечивают линеаризацию выходного сигнала, усиление и защиту от короткого замыкания по выходу и от смены полярности по линии питания. Диапазон измерения составляет -45.45° (ивых = 0,25.4,75 В) с точностью ±0,5°, при этом ось свободно вращается в диапазоне 360°. Нелинейность характеристики преобразования не превышает 2,5°.
Рис.16 |
Рис.17 |
Задача определения положения, малых перемещений, угла поворота, скорости и направления вращения неферромагнитных объектов (пластмассовые оси, шестерни, несущие линейки или метки, пластиковые карточки, денежные купюры и т.д.) может быть эффективно решена с помощью оптических датчиков ИК-диапазона.
| Ваш комментарий к статье | ||||
